稀土是各国竞相争夺的关键性战略资源，尤其重稀土（HREE）更为稀缺。目前，全球90%以上的HREE供应来自我国的离子吸附型稀土矿床。这些矿床多数发育在富稀土花岗岩的风化壳中，并且对基岩中的稀土成分具有明显的继承性。因此，HREE在基岩中的预富集对离子吸附型重稀土矿床的形成至关重要。然而，这类矿床基岩中HREE富集机制尚不清楚。
锆石是花岗岩中最常见的副矿物之一，它可以形成于花岗质岩浆演化不同阶段。锆石在结晶过程中会有大量具有重要地球化学意义的微量元素（如U、Th、Hf、Nb、Ta、P、REE等）进入其结构中，因此锆石记录了与地质过程相关的各种信息。锆石的显微结构、主微量元素化学特征、矿物包裹体和U-Pb同位素体系等可以用来限定锆石形成的时代和环境，并示踪相关稀有元素矿化过程。
近期，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队利用多种高精度微区分析手段对华南大埠富HREE的白云母花岗岩中锆石进行了详细研究。该研究发现，大埠白云母花岗岩中锆石根据其形貌和结构可以分为三种类型（Zrn-I、Zrn-II、Zrn-III）。Zrn-I锆石呈自形的棱柱状，透明无色，具有明显的振荡生长环带，表明其从岩浆早期结晶形成（图1）。Zrn-II锆石多呈自形至半自形的晶体或出现作为Zrn-I的增生边，内部包裹着钍石、磷钇矿等矿物，阴极发光较暗或可见微弱的振荡生长环带（图1），相似于岩浆晚期阶段形成的锆石。Zrn-III锆石颗粒呈半自形至他形，内部出现随机分布的孔洞，存在多种矿物包裹体，无振荡环带（图1），并且一些Zrn-III锆石与Zrn-II锆石紧密共存。这些特征表明Zrn-III锆石可能是通过热液强烈蚀变Zrn-II锆石形成的。此外，拉曼光谱显示Zrn-I到Zrn-III锆石的结晶度逐渐降低。
锆石的U-Pb定年结果显示，Zrn-I锆石与Zrn-II锆石具有相似的年龄，表明它们同时期形成。锆石的成分分析显示，Zrn-I到Zrn-III锆石的电子探针分析总量逐渐亏损（图2b），这可能是由于蜕晶质的锆石结构中OH-或无定形区域H2O分子的存在，表明锆石中挥发分替代的增加。同时，Zrn-I到Zrn-III锆石的Zr/Hf逐渐减小（图2a），这些共同指示了大埠白云母花岗岩经历了岩浆到热液的演化。而且，Zrn-I到Zrn-III锆石的δ18O值逐渐降低（图2c）表明越来越多的大气降水参与到热液流体中，可能促进了流体冷却。
图1. 大埠白云母花岗岩中三类锆石的透射光、CL和BSE图像
值得注意的是，与Zrn-I和Zrn-II锆石相比，Zrn-III锆石具有最高的Hf、U和REE，尤其是HREE。研究团队还对足洞离子吸附型重稀土矿床基岩，巴尔哲碱性花岗岩和冕宁-德昌碳酸岩相关的轻稀土矿床中岩浆锆石和热液锆石进行了统计。结合本研究的锆石特征，研究团队发现离子吸附型重稀土矿床基岩中早期锆石到晚期锆石的LREE/HREE随着REE含量的增加和Zr/Hf的减小而降低，而与碳酸岩、碱性花岗岩相关的轻稀土矿床中锆石变化显著不同（图3）。离子吸附型重稀土矿床基岩中晚期锆石HREE含量的显著增加应归因于岩浆演化过程中富HREE的流体加入。因此，本研究指出岩浆演化过程中出溶的富HREE流体对花岗岩进行了交代，导致基岩中HREE的进一步富集，这是形成离子吸附型重稀土矿床的重要前提。
该研究受到了国家重点研发计划（2021YFC2901701），中国科学院地球科学研究院重点部署项目(IGGCAS-201901)和广东省基础与应用基础研究重大项目（2019B030302013）等项目的联合资助。相关研究成果近期发表在Chemical Geology期刊上，更多信息请参见原文。
论文信息：Wang Heng（王珩）, He Hongping*（何宏平）, Yang Wubin（杨武斌）, Bao Zhiwei（包志伟）, Liang Xiaoliang（梁晓亮）, Zhu Jianxi（朱建喜）, Ma Lingya（马灵涯）, Huang Yufeng（黄玉凤）, 2023. Zircon texture and composition fingerprint HREE enrichment in muscovite granite bedrock of the Dabu ion-adsorption REE deposit, South China. Chemical Geology, DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121231
文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254122005253